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引導尖端科技的「科學神燈」——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/09 ・2691字 ・閱讀時間約 5 分鐘

大家都知道,光線是否充足對拍照品質有決定性影響,戶外拍照比起昏暗的室內容易拍到漂亮的相片;然而,光的亮度,對科學實驗也非常重要。

同步輻射是當今世上最亮的光,它的光通量及光亮度都遠優於傳統光源。

正因如此,過去科學家因實驗光源亮度不夠而無法探測的結構,現在藉由同步輻射都能分析得一清二楚,而原本使用傳統 X 光機可能需要幾個月才能完成的實驗,如今則僅需要幾分鐘就能取得漂亮的實驗數據。

簡言之,同步輻射是在固定軌道上運行的高速電子因磁場作用而偏轉的過程中,所輻射出來的電磁波。相較於其他光源,利用偏轉磁鐵產生的同步輻射,能譜範圍更寬廣,而且擁有高亮度、高穩定度、高準直度、光束截面積小、波長連續、具有時間脈波性與偏振選擇性等特色,輻射強度和功率都可由電磁學的理論計算預測,大幅提高實驗效率和準確度。

同步加速器光源(簡稱同步光源)是指為了產生供科學實驗的同步輻射所建的設施。一般而言,同步光源會採用兩座同步加速器來產生高品質的同步輻射。第一座加速器把電子加速到接近光速,稱為「增能環」;達到特定能量的電子送進第二座加速器後,不再額外加速,僅維持電子的能量,相當於把這些電子「儲存」起來,累積到足夠的電流量,再利用所產生的光做實驗,因此稱為「儲存環」。

這段過程,電子束在每一圈的運行中,都會在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游放出同步輻射,而儲存環中的超高真空環境,讓帶電粒子束不易被其他分子散射,並且有精準的回饋系統,因此光源穩定,容易控制實驗條件,且可聚焦在很小的實驗樣本上,成為科學研究的利器。

在二十一世紀的現代,同步光源的重要已毋庸置疑,然而它並非一開始就受到科學家青睞,甚至還曾遭到嫌棄。

國家同步輻射研究中心。圖/WIKIPEDIA

從附屬品到建置專用設施

從五○年代至今,同步光源的角色,歷經幾個不同世代的演進。

第一代的同步光源,是與高能物理研究的同步加速器共用,但兩者的研究需求並不相同,甚至背道而馳。

產生同步輻射的過程會損失能量,但在高能物理研究中,並不希望粒子碰撞前產生非必要的能量損失,否則電子束的軌道與功率都會因而改變,所以當時的科學家其實十分討厭「成事不足、敗事有餘」的同步輻射。

不過,在隨後的十年裡,一些科學家逐漸發現,高能物理實驗不用的電磁波其實可以當成頗有價值的光源,運用於光學及探測、生物醫學、材料科學、地球科學、環境科學等基礎和應用研究,從此改變了同步輻射「寄生」在高能物理實驗之下的命運。

到了七○年代,科學家逐漸體認到同步輻射有其優異性,開始想要開發專用的光源設施,獲得更亮、更聚焦的光束,於是先進國家紛紛開始興建專門為產生同步輻射的第二代同步加速器。

第二代同步光源將增能環與儲存環分開,出光品質較佳,使同步輻射的應用更廣泛、更多樣化;隨著帶電粒子的速度愈接近光速,輻射就愈集中,發出的電磁波涵蓋整個電磁波頻譜,從紅外光、可見光、紫外光、低能量的軟 X 光到高能量的硬 X 光及伽瑪射線。

八○年代之後,科學家開始意識到儲存環的長直段更重要,可以加入插件磁鐵,讓電子由偏轉一次變成多次偏轉,並且壓低束散度,產生更強、更亮的光束,這就是第三代同步光源。

近代科研最具影響力的光源

半個多世紀過去,目前全世界供實驗用的同步光源設施已經超過七十座,其中第三代加速器多於 1990 年後陸續建造完成,各國在同步光源設施的建造能力及研究成果,也成為國家高科技研發實力的重要指標之一。

到了 2015 年,同步光源的發展達到物理極限,進入第四階段,成為採用多重轉彎磁格 2 的同步加速器,可以將電子束的束散度減少百倍,直到觸及繞射物理極限。

束散度減少百倍,意謂光點更集中,光亮度可以提高百倍,從事奈米級光點研究;同時,光的準直性與同調性也大幅提高,可以發展許多新的科學實驗技術。

同步輻射插件磁鐵運作示意

插件磁鐵讓電子由偏轉一次變成偏轉多次,並且壓低束散度,使產生更強、更亮的光束。圖/國輻中心提供

受惠於同步光源的快速發展,研究人員得以擴展許多新的研究領域,包括:材料、生物、醫藥、物理、化學、化工、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等最尖端的基礎與應用科學研究,所獲得的成果對人類科技創新與生活便利帶來諸多貢獻。

隨著愈來愈多科學家使用同步輻射獲頒科學界最高榮耀的諾貝爾獎,有人稱它為現代的「科學神燈」,也是二十世紀以來科技研究最重要的光源之一。

同步光源主要設備介紹

由注射器產生的高速電子,經由傳輸線進入儲存環,電子在環中經過偏轉磁鐵或插件磁鐵而產生光,藉光束線導引到實驗站,科學家便可使用這束光進行各類實驗。圖/國輻中心提供
  1. 注射器(包括電子槍、直線加速器與增能環)

電子束由電子槍產生後,經過直線加速器加速至能量為 1 億 5 千萬電子伏特,電子束進入周長為 496.8 公尺的增能環後,繼續增加能量至 30 億電子伏特,速度非常接近光速(0.999999986 倍)。

  1. 儲存環

電子束從注射器經由傳輸線進入二十四邊形設計、周長為 518.4 公尺的儲存環後,環內一系列磁鐵導引電子束偏轉並維持在軌道上,如此一來,電子束便能於每一圈的運行中,在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游產生光束。由於電子會因產生光而損失能量,因此環內裝置超導高頻共振腔系統,用來補充電子的能量。

  1. 光束線

光束線是同步加速器與實驗站之間的一座橋梁。理論上,在每一處電子偏轉處或插件磁鐵的直線下游,都可以打開一個窗口,利用光束線將同步輻射引導出來,進入實驗站。

  1. 實驗站

科學家依據實驗需求設計各種儀器,使用同步輻射進行各類科學研究。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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被始祖人類收編的去勢病毒,竟成為人類繁衍的關鍵基因 ?——《我們身體裡的生命演化史》

鷹出版_96
・2021/09/19 ・1916字 ・閱讀時間約 3 分鐘

胎盤中母體細胞和胎兒細胞的交界處,有一種蛋白質具有非常特殊的功能。合胞素(syncytin)位於這個介面上,在母體與胎兒交換養分和廢棄物時,擔任像是分子交通警察的工作。許多研究指出,這種蛋白質對於胚胎的健康極為重要。有一群科學家製造了合胞素基因有缺陷的小鼠,這種小鼠的生長活動一切正常,但卻無法生育。在受孕之後,胎盤無法成型, 因此胚胎不能存活。

母體如果少了合胞素,製造不出具有功能的胎盤,胚胎也就無法得到養分。人類如果缺少合胞素,也會產生許多和懷孕相關的問題。患有子癲前症(preeclampsia)的女性,身上的合胞素基因就有缺陷,以致可以製造出蛋白質, 卻無法好好完成工作,結果在胎盤中引發出一連串反應,導致了極危險的高血壓。

法國一個生物化學實驗室,透過合胞素基因的 DNA 序列,來研究這個蛋白質的結構。就如同林區的研究當中所看到的, 當一個基因被定序出來,就可以把遺傳編碼傳送到電腦中,與其他生物所具備的基因序列進行比對。這種辨認出模式的交互檢查,能比對整個基因,也能找出其他基因序列中是否有類似的小片段。幾十年來,資料庫中的基因序列資料來自各式各樣的生物,小至細菌,大到大象,有數百萬份。比對工作揭露出許多基因是複製而擴大的基因家族,這在第五章談到了。在合胞素基因中,研究人員找尋的是其他相似的蛋白質,想說可以從中發現合胞素在懷孕期間發揮功能的方式。

發現的結果是個謎。搜尋資料庫後顯示的結果是,合胞素和其他動物中的蛋白質都沒有任何相似之處。在植物與細菌中也沒有發現到相似的序列。最後電腦比對出來的結果讓人驚訝與困惑:合胞素的基因序列,看起來非常像是某種病毒中的序列,並且像是造成愛滋病的人類免疫缺陷病毒(HIV)。這種病毒為什麼會有類似哺乳動物的蛋白質,而且那種蛋白質對於懷孕還很重要?

從人工培養的淋巴細胞中出芽的 HIV病毒 (綠色部分)。圖/WIKIPEDIA

研究人員在繼續探究合胞素之前,要先成為病毒專家。病毒是狡猾的分子寄生物。它們的基因組非常精簡,只含有感染和複製所需的資訊。病毒入侵細胞後,進入細胞核,並且進入基因組本身,一旦進入 DNA 裡面,它們會接掌主權,利用宿主的基因組製造更多病毒,並且生產病毒的蛋白質而不是宿主的蛋白質。宿主細胞受到病毒感染後,就成為製造千千萬萬病毒的工廠。人類免疫缺陷病毒這類病毒,為了從一個細胞傳播到另一個,它們會製造出讓宿主細胞黏在一起的蛋白質。這種蛋白質能夠把細胞併在一起,並建立通道,病毒藉此可以從一個細胞移動到另一個細胞中。為了達到這個目的,那種蛋白質會位於兩個細胞的交界處,控制兩者之間的交通。聽起來似曾相識?當然,因為合胞素在胎盤中做了同樣的事情:合胞素把細胞併在一起,控制胎兒細胞和母體細胞之間的分子交通。

合胞素作用於胎盤中的合胞體滋胚層 Syncytiotrophoblast (淺藍綠色處) ,讓母體細胞與胎兒細胞能夠相連通。 圖/WIKIPEDIA

研究團隊越是深入,越是發覺合胞素其實是來自失去感染其他細胞能力的病毒。哺乳動物蛋白質和病毒蛋白質的類似性,引導出一個新觀念——在遙遠過往的某個時間,一個病毒入侵了人類祖先的基因組,這個病毒含有某種類型的合胞素, 但它並沒有指揮細胞造出千千萬萬個病毒,而是遭受去勢,沒有感染能力,反而被新的宿主利用上了。人類的基因組是與病毒持續較勁的戰場。在合胞素這個例子中,因為尚未發現的機制,病毒中負責感染的部位被刪除了,其餘部位則被留下來製造胎盤所需的合胞素。病毒把蛋白質帶到了基因組中,本來是要攻擊基因組,後來卻受到劫持而為宿主效力。

科學家接著研究各種不同哺乳動物中的合胞素結構,發現小鼠的版本和哺乳動物的版本不同。比對了資料庫後,他們發現在不同的哺乳動物中,不同的病毒入侵產生了不同的合胞素。靈長類動物的來自入侵所有靈長類祖先的病毒;嚙齒類和其他哺乳動物的來自另一個感染事件,使得牠們有不同版本的合胞素。結果就是:靈長類、嚙齒類和其他哺乳動物,各有來自不同入侵者的不同合胞素。

人類的DNA 並非完全繼承自祖先,入侵的病毒會插入基因組中,產生功用。人類祖先和病毒的戰鬥,也是眾多創新的起源之一。

——本文摘自《我們身體裡的生命演化史》,2021 年 月,鷹出版

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鷹出版_96
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